JP2004530043A

JP2004530043A - 二次析出を利用する時効硬化可能のアルミニウム合金の熱処理

Info

Publication number: JP2004530043A
Application number: JP2002570791A
Authority: JP
Inventors: ニールラムリーロジャー; ジェームスポルミーアイアン; ジェームスモートンアラン
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2004-09-30
Also published as: MXPA03008075A; EP1366205A1; EP1366205A4; US7037391B2; AUPR360801A0; TWI223670B; RU2003129809A; CN1507501A; US20050076977A1; CN1266301C; CA2439919A1; KR20030076724A; BR0208054A; AU2002233063B2; WO2002070770A1; RU2300576C2

Abstract

固溶体中に合金元素をもつ時効硬化可能のアルミニウム合金を時効熱処理する方法。該方法は、ここで不足時効させられた合金を作るために T6 焼き戻しより比較的短い期間の間の“一次析出”と称される、少なくとも１つの溶質元素の析出を促進するのに適切な高い時効温度に合金を保持することを含む。結果として出来た不足時効させられた合金は次いで、この時効温度からより低い温度にかつ上記一次析出を阻止するのに十分な速さの速度で冷却される。冷却された合金は次いで、一次析出のための高い時効温度より低い時効温度に曝され、ここで“二次析出”と称される追加の溶質元素の析出によって、時間の関数として適切な機械的特性を生じるようになす。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は時効（又は析出）硬化の周知の現象によって強化することができるアルミニウム合金の熱処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
時効硬化による強化のための熱処理は、少なくとも１つの合金元素の固体溶解度が温度の減少とともに減少する合金に適用することができる。関連するアルミニウム合金は、幾つかの展伸用合金系、主として国際合金指定システム(International Alloy Ddsignation System)(IADS) の 2000(Al-Cu, Al-Cu-Mg), 6000(Al-Mg-Si) 及び 7000(Al-Zn-Mg) 系の展伸用合金を含む。更に、多くの鋳造可能合金が時効硬化可能である。本発明は、展伸用合金及び鋳造可能合金並びに金属マトリックス複合材、粉末冶金製品、及び急速硬化の如き異例の方法によって作られた製品を含むアルミニウム合金のすべてに及ぶものである。
【０００３】
時効硬化可能の材料の熱処理は通常は、下記の３つのステージを含む:
1. 合金元素を溶解するために、単一相の固溶体を作るための比較的高温の溶体化処理(solution treatment);
2. 過飽和固溶体内に溶質元素を保持するための、例えば冷水内への急速冷却又は焼き入れ;
3. 硬化又は強化するために、或る期間にわたって、１つの(at one )、時には第２の (sometimes at a second)中間温度に合金をを保持することによって合金を時効させること。
【０００４】
かかる時効から得られる強化は、過飽和固溶体中に保持された溶質が、平衡応答(response)の成分として、析出物を形成するから起こるのであり、上記析出物は微細に結晶粒全体に分散し、スリップのプロセスによる変形に抵抗する材料の能力を増すものである。最大の硬化又は強化は、時効処理がこれらの微細な析出物の１つ又はそれ以上の臨界的分散を生ぜしめるに至った時に起こる。
【０００５】
時効条件は種々の合金毎に変わる。1つだけのステージを含む２つの一般的な処理は室温に長時間にわたって( T4 焼き戻し(temper)）、又は更に一般的には、高温に比較的短い時間(例えば150 ℃に 8 時間）にわたって保持することであり、これは硬化プロセスにおける上限に相当する( T6 焼き戻し）。或る合金は、高温でT6 焼き戻しを適用する前に指定された期間（例えば 24 時間）にわたって室温に保持される。
【０００６】
他の合金系では、溶体化処理された材料は、高温で時効させる前に、所定のパーセンテージだけ変形させられる。これは T8 焼き戻し(temper)として知られており、結晶粒内に析出物の改良された分散をもたらす。 7000 系合金をベースとする合金はそれらの時効処理に２つ又はそれ以上のステージをもつことができる。これらの合金はより高い温度で時効させる(例えば T73 焼き戻し)前により低い温度で時効させることができる。代案として、２つのかかるステージは、追加の処理に先行することができる。追加の処理では、材料は引き続きより低い温度で時効させられる（時には、逆行・再時効(retrogression and reaging)又は RRA として知られている）。
【０００７】
合金 8090 についての最近の提案では、材料は高温で所定期間時効させられ、その後、漸次減少する温度のステージ(incremantally decreasing temperature stages)が短期間続く。これは使用中に改良された破壊挙動を生じる手段を提供する。
【０００８】
本出願人の同時係属出願である国際特許出願 PCT/AU00/01601号には、新規な３ステージの時効硬化処理が開示されている。これは、最初に正常な高い時効温度で比較的短時間にわたり時効させ、その後周囲温度で又はそれより僅かに高い温度で所定期間にわたり中断させ(interrupt)、その後、最後に、最初の典型的な時効温度で又はその温度に近い温度で、追加の時効を続けるというプロセスを記載している。かくして、かかる焼き戻しは、中断(interrupt)工程 (I) の前又は後の高温の時効処理を意味する T616 と称されてきた。このプロセスは、すべての時効硬化可能のアルミニウム合金に適用可能であり、かつ中断ステージ (I) の間に低温硬化を起こさせ、次いで、高温での時効硬化への最終的応答を高めるために、これらの二次析出を利用するための二次析出プロセスに頼っている。
【０００９】
幾つかの形式の二次析出は、リチウム含有アルミニウム合金 2090 及びマグネシウム合金 WE54 で示された如く、特性に有害な効果をもつ。これらの場合、これらの合金が T6 状態まで時効させられ、次いで、低温で、例えば約 90 ℃乃至 130 ℃の範囲内の温度で、長時間曝されたときに形成する最後に分散させられた二次析出物は、許容できない延性及び靱性の減少を生ぜしめるかも知れない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、増強された機械的特性の組み合わせを多くの時効硬化可能のアルミニウム合金用に得ることを可能ならしめる時効処理を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、固溶体内に合金元素を有する時効硬化可能のアルミニウム合金の時効熱処理方法において、該方法が下記のステージ (a) 乃至 (c) 、即ち
(a) ここで不足時効させられた(underaged)合金を作るために T6 焼き戻しより比較的短い期間にわたり“一次析出”と称される、少なくとも１つの溶質元素の析出を促進するのに適切な高い時効温度に合金を保持し、
(b) ステージ(a)の時効温度からより低い温度にかつ上記一次析出を阻止するのに十分な速さの速度で上記不足時効させられた合金を冷却し、
(c) ステージ(b)によって作られた冷却された合金をステージ(a)の時効温度より低い時効温度に曝し、ここで“二次析出”と称される追加の溶質元素の析出によって、時間の関数として適切な機械的特性を生じるようになすこと、
を含んで成る方法を提供する。
【００１２】
上記国際特許出願 PCT/AU00/01601号で提案された協定(convention)では、本発明のプロセスによって提供される焼き戻し(temper)は T614 と称される。これは、材料が短時間人工的に時効させられ、例えば適切な媒体で焼き入れされることによって急速冷却され、そして次ぎに適当な二次時効を起こすのに十分な温度にかつそれを起こすのに十分な時間にわたって保持される（中断される(interrupted)）ことを示す。
【００１３】
本出願人は時効硬化可能のアルミニウム合金の大部分は本発明のかかる熱処理に有利な応答(response)を示すことを見いだした。有利な応答を示す合金では、典型的なT6 焼き戻しの後に作られた引っ張り特性と硬度値とほヾ同等か、時にはそれらより大きい引っ張り特性と硬度値を得ることができる。本発明のプロセスはまた、破壊靱性と疲労抵抗性の如き他の特性を同時に改良することができる。
【００１４】
本発明によって可能にされた増強された機械的特性の組み合わせは、制御された二次析出によって得られる。増強された特性は、同等のT6 処理と比較したとき、人工的時効温度で少ない時間内に得ることができる。典型的なT6 合金材料の引っ張り特性の正規の統計的な変化性内の引っ張り特性を得ることができ又はそれより大きい引っ張り特性を得ることができるが、しかし、しばしば例えば、著しく改良された破壊靱性と共に引っ張り特性を得ることができる。時間のファクターとなる該プロセスの利益は、合金が人工的に加熱されなければならない人工的時効サイクルのより短い持続時間に関係がある。そのとき、強化は不定の期間にわたり周囲温度で又はその周囲温度近くの温度で、よりゆっくり続くことができる。そのため、合金は、貯蔵され、運搬され又は使用されるとき、強化し続けることができるが、人工的時効のための初期加熱の間に起こる強化は、通常、工学技術用サービスのための最少限の仕様に合致する材料をもたらす。
【００１５】
本発明による時効処理は通常、溶質元素を溶解し、周囲温度近くに焼き入れすることによって、それらを過飽和固溶体内に保持するために、最初に溶体熱処理された合金に適用される。これらの両作業は、時効処理のステージ(a)に先行するか、又は受け入れたままの合金に前もって適用されている。即ち、ステージ(a)を適用するために上記受け入れたままの合金は固溶体内に合金元素を既にもっていることができる。代案として、本発明のプロセスは更に、ステージ(a)の前に、以下の工程 (i) と (ii)、即ち
(i) 合金の溶質元素を固溶体内に取り込むのに十分な期間にわたり合金を溶体化処理温度に加熱する工程、
(ii) 固溶体中に合金元素を保持するために合金を溶体化処理温度から焼き入れする工程、
を含むことができる。
【００１６】
溶体化処理温度からの焼き入れはステージ(a)の時効温度まで直接なすことができ、従って周囲温度からの再加熱は排除され、又は焼き入れは周囲温度の如きより低温までとすることができる。しかし、過飽和固溶体内に保持された溶質元素をもつ合金は幾つかの鋳造作業からもたらされることができる。そして本発明のプロセスはまた、受け入れたままの合金に適用することができる。また、受け入れたままの合金になされようと又はステージ(a)の前に本発明のプロセスで行われようと何れにしても、本発明は、固溶体温度からプレス焼き入れすることによって、又は溶体化処理温度から押し出す間に合金を冷却することによって、溶質元素が固溶体内に保持されている合金に適用される。
【００１７】
ステージ(a)の時効処理の温度と時間は普通は、通常のT6 焼き戻しから得られる最大硬度と強度の 85 ％以下を、好適には、 40 乃至 75 ％を提供する不足時効を得るよう選択される。関連する合金に依存して、このことは、ステージ(a)の温度で数分間から数時間までの範囲にわたる時間にわたり保持することを含むことができる。かかる条件で、材料は不足時効させられると言われる。ステージ(a)の時効温度にある期間は、数分間から約 8 時間までとすることができる。しかし、その期間が完全強化のための時間より短いならば、それは 8 時間をこえることができる。
【００１８】
ステージ(a)の処理からステージ(b)における冷却は、約 65 ℃から約−10 ℃までの範囲内の温度とすることができる。２つの実際的代案では、冷却は実質上周囲温度とすることができ、又は実質上ステージ(c)の時効温度とすることができる。冷却は好適には、水又は、ガス又は重合体ベースの焼き入れ剤の如き他の適当な流体とすることができる適切な媒体内に、又は流動床内に焼き入れすることによって行われる。ステージ(b)の冷却の目的は、主として、ステージ(a)の間に生じる一次析出を阻止することである。
【００１９】
ステージ(c)では、適切な時間と温度が相互に関係付けられる。本発明の目的のため、ステージ(c)は好適には、時効させられたアルミニウム合金が夫々のT6 条件のための強度と同様か又はそれら強度より大きい強度を得ることができる条件を設定することである。ステージ(c)の温度は一般に、合金に依存して、 20 乃至 90 ℃の範囲内にあるが、この範囲に限定されない。ステージ(c)では、適切な温度と保持時間は詳細に上述した如く、二次析出の発生に必要とされる。一般に、ステージ(c)の温度が低ければ低い程、機械的特性の所望の組み合わせを得るのに必要な時間は長くなる。しかしこのことは、例外があるので、普遍的原則ではない。
【００２０】
ステージ(c)はステージ(c)の時効温度で所要のレベルの二次析出を得る期間にわたって行われることができる。ステージ(c)は、その時効温度で、ステージ(b)の直後に得られるレベルを越えた所要レベルの合金の強化を得る期間にわたって行われることができる。期間は所要レベルの引っ張り特性を得るのに十分なものとすることができる。引っ張り特性のレベルは、完全 T6 焼き戻しで得られるものに等しいか、好適にはそれより大きいものとすることができる。期間は所要レベルの引っ張り特性と破壊靱性の組み合わせを得るのに十分なものとすることができる。破壊靱性は、完全T6 焼き戻しで得ることができるものと少なくとも等しくすることができる。
【００２１】
本発明のプロセスは標準の単一ステージのT6 焼き戻しのみならず、他の焼き戻しにも適用可能である。上記他の焼き戻しは、時効硬化を容易ならしめるためのより高い温度から典型的には溶質の保有を含む焼き戻しを含む。幾つかの例は T5 焼き戻し、 T8 焼き戻し及び T9 焼き戻しを含む（しかしこれらに限定されない）。これらの場合、本発明の適用は、低くした温度（上記のステージ(c)）に保持する前に、特に不足時効された材料を提供するために適用された時効温度から十分速い速度で焼き入れすることにおいて明らかである（上述のステージ(a)）;前述の協定(convention)に続くこれらの焼き戻しは T514, T814 及び T914 と称され、これは T5, T8, 又は T9 処理の不足時効させられるバージョン(version)の後に低くされた温度の或る休止期間が続くことを意味する。
【００２２】
本発明のプロセスの少なくとも１つのステージでは、合金は機械的変形を受けさせられる。この変形はステージ(a)前にすることができる。かくして、例えば、合金が、本発明プロセスの一部として、ステージ(a)の前に、詳細に上述した溶体化処理及び焼き入れステージ (i) と (ii) を受ける場合、合金は、例えばプレス焼き入れによってステージ (i) と(a)の間に例えばステージ (ii)中に、又は合金の押し出し中に、機械的変形を受けることができる。しかし、合金は、ステージ(b)と(c)の間に又はステージ(c)中に機械的変形を受けることができる。各々の場合、変形からもたらされる合金の加工は該プロセスのステージ(a)乃至(c)によって得られる合金の特性を更に高めることができる。
【００２３】
上述のステージ(c)における如く、ステージ(a)の温度と期間は相互関係を有している。各場合に、この期間は、ステージ(a)の一次析出とステージ(c)の二次析出の所定のレベルのための温度の減少と共に増す。しかし、ステージ(a)で得られる不足時効のレベルはステージ(c)の二次析出の範囲を決定するので、各ステージ(a)と(c)の条件は相互関係を有している。
【００２４】
ステージ(a)における適当な不足時効の範囲は、所定の合金が属する系列と共に変化し、少なくとも一部は、化学的性質に依存する。また、不足時効の適切なレベルを各系列の合金について概括することができるが、各シリーズ内に例外があるのは避けられない。しかし、一般的に、 2000系の合金については、完全 T6 焼き戻しから得られる最大引っ張り強度と硬度の50 乃至 85 ％を提供する不足時効は、少なくとも合金が、例えば冷間加工によって機械的変形を受けない場合には一般的に適切である。 2000 系の合金がかかる変形を受けるときには、より低いレベルの強化までの不足時効が、関係する加工レベルに依存して、適切となることができる。これと対照的に、 7000 系の合金は一般的に、完全 T6 焼き戻しから得られるに最大引っ張り強度と硬度の 30 乃至 40％を提供するのに適切な不足時効の得るために、ステージ(a)のために例えば数分間の如き短い期間を可能にする。
【００２５】
本発明のプロセスは、鋳造合金 357, 6013, 6111, 6056, 6061, 2001, 2214, Al-Cu-Mg-Ag 合金、 7050 及び 7075 の如き多くの合金が、例えば同等なT6 焼き戻しで得られる引っ張り特性又は硬度のレベルと同等か又はそれより大きいレベルを得ることを可能ならしめる。このことは著しく減少した時間の人工的時効によって起こることができ、6000 系合金の場合、 Al-Cu-Mg-Ag 、幾つかの 7000 系合金、及び幾つかの鋳造合金は合金の破壊靱性を同時に改良することができる。それ故、かかる場合、合金は同等なレベルの引っ張り特性のために改良されたレベルの破壊靱性を、人工時効温度において著しく減少した時間で示す。このことは機械的特性の利益を提供することは別にして、本発明のプロセスによって簡単化された改良はまた、処理コストの利益を含むことができる。これに関して、関連する本発明によって可能にされるのは人工的時効の減少した時間である。それは、減少したコストでより高い強度とより速いプロセス時間を提供するからである。例えば、合金 7050 では、典型的な T6 特性は24乃至48時間の人工的時効時間の後に得られる。合金 7050 についての本発明のプロセスによって、ステージ(a)の高い温度で要求される時間量は、ステージ(b)の焼き入れの前、5 乃至 10 分間の短さとし、次いで周囲温度に近い温度でステージ(c)を行うことができる。その上、本発明の人工的時効に要求される時間は 6000 系合金のレベルまで減少させることができ、例えば、それが自動車ボデー用シートについてのペイント−ベイク(bake)サイクル内に調節されることができるよになされ、これはまた、現行の実施において必要な複式処理ステージを避けることができることを意味する。
以下、本発明を、更に容易に理解できるよう、添付図面を参照して説明する。
【実施例の説明】
【００２６】
本発明は、時効硬化可能のアルミニウム合金が、もしこれらの合金が最初に短時間にわたりステージ(a)でより高い温度で不足時効させられ、次いでステージ(b)で例えば室温に焼き入れされることによって冷却されるならば、ステージ(c)においてより低い温度でこの追加の硬化及び／又は強化を受けることができる条件を設定することを可能にする。この効果は図１に示されており、この図は本発明の T614 時効処理の一般的原理を示し、かつ二次析出が時効硬化可能のアルミニウム合金の T614 処理のための本発明のプロセスの条件下で如何に利用されるかということを概略示すものである。
【００２７】
図１に示す如く、T614 時効プロセスは連続するステージ(a)乃至(c)を利用する。しかし、図示の如く、ステージ(a)は、処理 ST として図１に示される予備溶体化処理によって先行され、その処理 STでは、合金は比較的高い初期温度にかつ合金元素の溶体化を容易にするのに十分な時間にわたって保持される。予備処理は受け入れたままの合金に行われることができる。その場合、合金は典型的には、図示の如く周囲温度に、又は周囲温度より下の温度に焼き入れされる。しかし、代案として、予備処理は本発明のプロセスに付加することができる。この代案では、処理 ST の後の焼き入れは周囲温度までか又はそれより下の温度までとするか、又はその焼き入れは本発明プロセスのステージ(a)のための温度までとして、合金を後者の温度に再加熱する必要をなくすことができる。
【００２８】
ステージ(a)では、合金は問題の合金の T6 焼き戻し(temper)に適した温度で又はその温度近くの温度で時効させられる。ステージ(a)の温度と持続時間は上述の如く、不足時効させられた強化の要求されたレベルを得るのに十分なものとする。ステージ(a)の温度から、合金はステージ(a)において一次析出時効を阻止するためにステージ(b)で焼き入れされ、その際ステージ(b)の焼き入れは周囲温度まで、又はその温度の近くの温度までとする。焼き入れステージ(b)の後に、合金はステージ(c)の温度に維持され、その温度はステージ(a)の温度より低く、典型的には実質上低いが、その温度は二次核生成を達成するのには十分である。
【００２９】
時効プロセスの図１に示す概略の線図に関して及びそれをすべての適当な時効硬化可能のアルミニウム合金に適用する方法に関して、ステージ(a)の温度における時間は合金に依存して、数分間乃至数時間までとなる。
【００３０】
図２は実験用の展伸用合金 Al-4Cuの硬化に適用されるプロセスを示す。更に図２を参照すれば、線図は時間の関数としての硬度を示し、かつ異なった初期時間(initial times)から不足時効させられた合金 Al-4Cuの二次析出を示す。合金は540 ℃で溶体化処理され、次いで固溶体中に溶質元素を保持するために焼き入れされたものである。ステージ(a)の一次析出は次いで、150 ℃で行われ。そしてその過程は実線で示されている。ステージ(a)における異なった時間の後に、 65 ℃に保持することによって達成された夫々のステージ(c)の二次析出の過程は破線によって示され、そして１, 1.5, 2.5, 3, 4.5, 8 及び 24 時間の夫々のステージ(c)の時効時間が示されている。 150 ℃ で時効させられた合金Al-4Cuの全 T6 硬度は 132 VHN であることが分かった。しかし、図２に示される如く、合金はより低いステージ(c)の温度で重大な二次析出を生ぜしめられ、その結果、その硬度は結局は、図示の時間枠内にある月並みに時効させられた T6 合金に得られたものに近づいている。
【００３１】
図３は一連の Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 走査 A 乃至 D を示し、合金Al-4Cuの二次析出応答(response)を表す。走査 A は、540 ℃で溶体化処理され、焼き入れされ、150 ℃で 2.5 時間時効させられ、焼き入れされ、次いで直ちにテストされた材料の NMR 走査を表す。この走査内には２つの明瞭なピークがある。そのうちの１つ（ピーク P1 )は合金の固溶体内に残っている銅原子の強さ(intensity)に相当する。第２のピーク（ピーク P2 )は合金内の GP1 域（第１オーダの Guinier-Preston zones) 内にある銅原子の強さに相当する。GP1 域は第１核形成析出相であり、この相は強化を成し、その強化に貢献する。走査 A-D のピークは GP1 域のピークの強さに焼きならしされており、従って固溶体内の銅濃度の変化が最も容易に観察される。走査Ａはそれ故、150 ℃の第１の時効ステージがこの温度でGP1 域を形成しかつ合金中にある全銅のほヾ半分を消費したというデータを表す。NMR 走査 B 乃至 D はこの時、比較のために、 65 ℃で 240h(B), 650h(c), 及び1000h(D)の、不足時効ステージ(a)後のステージ(b)の焼き入れの後の、ステージ(c)の保持時間後に在るこれらのピークの差を示す。これらのピークの下の夫々の面積の大きさは、固溶体内に保持された銅がステージ(c)の保持時間の関数として減少し、GP1 域内にある銅の割合はステージ(c)の保持時間とともに増すことを示す。GP1 域内にある銅の原子画分(fraction)（1.73At％Cu 合計）を保持時間の関数として表すことによって、二次硬化曲線の一般的形状を作ることができる。次いでこれを図４で示される硬度−時間曲線と比較したとき、２つの方法は高度の相互関係を示す。
【００３２】
図４は図３につき詳述した熱処理をうけたAl-4Cu合金のGP1 域内に含まれた銅の硬度と原子％の両方に対する時間の関係を表す線図を示す。
【００３３】
図５は展伸用 (Al-Zn-Mg-Cu )合金 7050 の硬化に適用されるプロセスを示す。図５を更に詳細に参照すれば、この図の線図は異なった初期時間から時効させられた合金 7050の二次析出を示し、130 ℃で時効するための T6 時効曲線と比較して示したものである。この合金は 485 ℃で溶体化処理されたものである。ステージ(a)の一次析出は130℃で行われ、その過程は実線で表されている。ステージ(b)の焼き入れの後の、ステージ(a)の異なった時間からの夫々のステージ(c)の二次析出の過程が破線（一点鎖線）で示されている。130 ℃で時効させられた合金 7050 の全 T6 硬度は 209 VHN であることが分かった。しかし、図５で示される如く、合金はこの場合 65 ℃の、より低いステージ(c)の温度で重要な二次析出を起こされ、従ってその硬度は結局は、T6 焼き戻しの硬度に等しくなる。
【００３４】
図６は展伸用 (Al-Cu-Mg) 合金 2001 に適用される本発明のプロセスを示すものであり、 177 ℃で作られた T6 時効曲線と比較して示すものである。ステージ(a)で不足時効させられ一次析出は 177 ℃に合金を加熱することによって得られた。ステージ(c)の二次析出は異なった初期時間からのものでかつ 65 ℃（破線）で達成されたものであった。合金 2001 のピーク T6 硬度は 140 VHN である。図６に示す T614 条件については、最初に２時間時効させられた材料は典型的には次いで、 140 乃至 143 VHNに硬化された。それは典型的な T6 合金の硬度に等しいか又はそれより僅かに大きい。ステージ(c)の不足時効(underageing)の他の初期時間はステージ(c)の二次硬化により小さく応答することを示すが、結局は図６に示すように同等化する。
【００３５】
図７は展伸用(Al-Cu-Mg) 合金 2001 に適用される本発明のプロセスの代案の１形式を表す。この場合、その適用は冷間加工ステージを含む焼き戻しに向けられる。実線とダイヤモンド目印は、 10％冷間加工が溶体化処理の後でかつ 177 ℃での時効の前に行われたときの、標準 T8 焼き戻しのためのものである。正方形目印を付した破線は T814 時効を表示するものであり、この場合合金は溶体化処理され、焼き入れされ、 10 ％冷間加工され、 40 分間 177 ℃で時効させられ、そして焼き入れされ、次いで種々の時間にわたって 65 ℃に保持されたものである。閉じた三角形目印をもつ破線は T914 時効のためのものであり、この場合合金は溶体化処理され、焼き入れされ、2 時間 177 ℃で時効させられ、焼き入れされ、10 ％冷間加工され、次いで種々の時間にわたって65 ℃に保持されたものである。
【００３６】
図８は展伸用合金 6013 に適用された本発明のプロセスを示す。この場合、実線で示されたステージ(a)において不足時効された一次析出は 177 ℃で合金を加熱することによって得られた。ステージ(c)の二次析出は異なった初期時間からのものであり、 65 ℃で達成されたものである（破線）。合金 6013 のピーク T6 硬度はほヾ 144VHN であった。 30 乃至 60 分間にわたりステージ(a)中に時効させられた合金 6013 については、T614 硬度は図示の時間フレーム中で 142 VHNの値に達している。
【００３７】
合金 6013は合金 6111 及び 6056 の各々と同様の化学的性質をもつ。図示していないが、各合金 6111 と合金 6056 は合金 6013 について図８に示されたもの及び合金 6013 について図１３を参照して本文中で後述されるものと実質上同じ時効挙動を表しその結果、合金 6013 と同等な性質をもたらすことが見いだされている。
【００３８】
図９は (Ai-Zn-Mg-Cu) 合金 7075 （ダイヤモンド）及び実験合金 7075 ＋ Ag（正方形）について本発明のプロセスに従って得た T614 時効曲線を表す。各場合に、合金は最初にステージ(a)の時効の処理を 130 ℃で 0.5 時間にわたって受けさせられ、焼き入れされ、次いでステージ(c)の二次析出のために10.000 時間までのかつその時間を越えた長時間にわたって 25 ℃で保管された。合金 7075 の対応する T6 ピーク硬度はほヾ 195 VHN であり、合金 7075 ＋ Ag ではそれは 209 VHNである。しかし、図９は本発明の T614 プロセスを適用すれば、硬度はかかる長時間に上昇し続けることを示す。図８に示す時間間隔にわたって、合金 7075 は T6 温度の硬度を越えており、そして合金 7075 ＋ Ag は既に T6 焼き戻しの硬度に近づいている。図９の図表は連続するステージ(c)の二次析出の効果を強調している。この効果は時には、1年より長く続くことすらある。
【００３９】
合金 7075 と合金 7075 ＋ Ag は図９に示すものと同様の追加の熱処理を受けさせられるが、 25 ℃よりはむしろ 65 ℃で長時間にわたりステージ(c)の時効を受けさせられた。これは図１０に示されており、硬化曲線に長時間認められた平坦域(plateau)は T6 焼き戻しのためのものをかなり越える合金に得られる最大硬化を表すことができる。
【００４０】
また、図９と１０はこの場合、 Ag の如き微量元素の痕跡的添加が二次析出の速度と効力に著しく影響することができることを強調している。
【００４１】
図９と１０はまた、ステージ(c)の硬化の温度を変えることによって差が生じることを強調している。これらの図から、同等の時間で、25 ℃でのステージ(c)の硬化で作られた材料は 65 ℃でのステージ(c)の硬化を受けた材料から作られたものと同じレベルの硬度を得られなかったことが容易に分かる。
【００４２】
図１０に示す如く、低い温度で起こる硬化は長時間でT6 合金のそれより大きい最大値に達することができる。それ故、実験とプロセススケジュールの所定の条件では、強化は、結局は、安定状態に達し、そしてそれ以上には上昇せず、そして固溶体からの溶質の完全な消耗に相当することができることを予期することができる。
【００４３】
図１１はステージ(a)で177 ℃で異なった初期時間から T614 焼き戻しに時効させられた鋳造合金 357 （Australlian designation alloy 601）の時効曲線を示す。ステージ(b)の焼き入れの後に、合金はステージ(c)の 65 ℃の加熱を受けさせられた。長時間で、曲線は図５、６に示されたものと同様の傾向を表す。合金 357 は結局は 124 VHN の T6 硬度と T6 引っ張り特性に近づく二次析出の下で時効を示す。表１は数個の異なった時効処理からもたらされる合金 357 の引っ張り特性を列挙している。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１には、UA 処理はステージ(c)なしで行った、本発明のステージ(a)と(b) の実施状況を表す。この場合、合金 357 は 40, 60 又は 90 分間 177 ℃に単に加熱され、次いで周囲温度に焼き入れされた。これらの処理は本発明の３つの処理によって後継がれた。この場合、合金は 40, 60 又は 90 分間 177 ℃に加熱され、周囲温度に焼き入れされ、次いで二次析出によって特性を増強するために、65 ℃で1カ月間保持された。T616 処理は本出願人の上述の明細書 PCT/AU00/01601 の４つのステージプロセスに従ったものであり、その場合該処理は合金 357 を 20 分間 177 ℃で時効させ、水中に入れて焼き入れし、所定期間 65 ℃で中断させられそして150 ℃で再時効させることを含んでいた。
【００４６】
表２は表１の最初の３つの熱処理の各々の後の鋳造合金 357 の引っ張り特性及び破壊靱性値を示す。
【００４７】
【表２】

【００４８】
図１２は合金 Al-4Cu の後続の二次析出応答に及ぼすステージ(b)の冷却速度の効果を示す。図１２は〜−10 ℃に冷却されたエチレングリコールベースの焼き入れ剤(quenchant)中に、又は 65 ℃の熱水中にステージ(b)で焼き入れした場合の効果を示す。図１２では、合金は 65 ℃で行われた二次時効の前に、最初に 150 ℃で 2.5 時間時効させられた。150 ℃から冷却された焼き入れ剤内に焼き入れされた合金の二次時効応答は破線と中実三角形によって示されている。150 ℃から 65 ℃の水内に焼き入れされた合金の二次時効応答は実線と開放四角形によって示されている。そのとき二次析出が起こる速度は最も速く冷却された材料のものよりずっと速い。
【００４９】
図１３は図１２と同様であるが、合金 6013 についてのものである。この場合、合金は焼き入れとその後の 65 ℃での露出の前に、最初に177 ℃で 20 分間時効させられた。177 ℃から冷却されたエチレングリコールベースの焼き入れ剤内へ焼き入れされた合金の二次時効応答が破線と中実三角形によって示されている。177 ℃から 65 ℃の水内へ焼き入れされた合金の二次時効応答は実線と開放四角形によって示されている。この合金では、最大の 65 ℃への露出時間を除いては、検査された２つの状態について二次時効応答に殆ど差はない。上に示した如く、合金 6111 及び合金 6056 の各々は、合金 6013 について図１３に示したものと実質上同じ挙動を示す。
【００５０】
図１４は図１２のものと同様であるが、合金 7075 についてのものである。この場合、合金は焼き入れとその後の 65 ℃への露出の前に、最初に 30 分間 130 ℃で時効させられた。 130 ℃から冷却されたエチレングリコールベースの焼き入れ剤内へ焼き入れされた合金の二次時効応答は破線と中実三角形によって示されている。 130 ℃から65 ℃の水内へ焼き入れした合金の二次時効応答は実線と開放四角形によって示されている。この合金では、唯一の重要な差は、熱水中への冷却の後の初期硬度値は、〜−10 ℃に冷却された焼き入れ剤内へ焼き入れすることによって冷却された合金のものより僅かに高いことである。他の点では、検査された２つの状態について二次時効の速度の差は殆どない。
【００５１】
図１５はまた、図１２のものと同様であるが、合金 8090 についてのものである。この場合、合金は、焼き入れとその後の 65 ℃への露出の前に、最初に 185 ℃で 7.5 時間時効させられた。 185 ℃から冷却されたエチレングリコールベースの焼き入れ剤内へ焼き入れされた合金の二次時効応答は破線と中実三角形によって示されている。 185 ℃から 65 ℃の水内に焼き入れされた合金の二次時効応答は実線と開放四角形によって示されている。〜−10 ℃に冷却された焼き入れ剤内で冷却されたサンプルは 185 ℃から 65 ℃の水内に冷却された合金のものより高い初期硬度値を示す。しかし、二次析出のその後の速度はよりゆっくり冷却されたサンプルのものより適度に遅い。しかし、 65 ℃における長い持続時間の後には、２つのラインは収斂し、そしてより速く冷却された材料は 65 ℃の水内に冷却されたサンプルの硬度値を越えるが、それは持続時間が長いときにのみである。
【００５２】
表３は、適用に際して異なった合金に対して如何に差が適用するかの１例として、 T6 及び T614 熱処理の各々の後における、展伸用合金 7050, 2214(var.2014),2001,6111,6061 及び実験用 Al-5.6 Cu-0.45 Mg-0.45 Ag 合金の引っ張り特性の例を示す。この場合、合金 7050 については、 T614 焼き戻しは、降伏応力を僅かに減らすが、 UTS 又は歪み又は破壊に対する変化は殆ど示さない。合金 2214は降伏応力の僅かな減少を示し、破壊時にUTSと歪みが僅かに増加した。しかし T6 状態に時効させるために 177 ℃で過ごされた時間は 7 から16 hの範囲（この場合、16 h）になるが、 T614 状態に時効させるために 177 ℃で過ごされた時間は 40 分間であり、その後完全な特性を発現させるために減少した温度の休止(dwell)期間が続いた。合金 2001 は 2214 合金と同様な挙動を表すが、この状態の破壊時にはUTS と歪みの両者が大きく増す。実験用の Al-5.6Cu-0.45Mg-0.45Ag 合金は降伏応力の変化を殆ど表わさないが、UTSの増加と、破壊時の歪みの減少を表す。合金 6111 は２つの状態の引っ張り特性の差を殆ど表わさないが、合金 6013 と 6056 を代表する。しかし、合金 2214 と同様に、 T6 時効のための典型的時間と、177 ℃における合金 6111 中の特性の発生は 16 h であるが、 T614 時効のステージ(a)の 177℃で過ごされた典型的時間は 40 分間乃至 1 h である。合金 6061 は合金 6111 につき上述したものと同様のプロセススケジュールによって、降伏応力と、UTSと、破壊に至るまでの歪みの改善を表す。これらは、該プロセスが、如何にしてT614 焼き戻しまで処理された異なった合金の引っ張り特性に影響を与えることができるかを示す例である。
【００５３】
【表３】

【００５４】
表４は表中に列挙された合金の各々につき、S-L 方位で決定された破壊靱性の例を示す。列挙された合金（8090 を除く）については、それらに対応する引っ張り特性は表３に示されている。合金 7050 は T6 の場合の破壊靱性を越える破壊靱性のかなりの改善(38 ％)を表している。列挙された 2001, 2214 及び 8090 合金の破壊靱性は、実験用 Al-5.6Cu-0.45Mg-0.45Ag 合の場合の如く、Ag が添加される場合を除いて、T614 焼き戻しによっては殆ど変化せず、それは破壊靱性の 20 ％の増大を示す。合金 6061 では、破壊靱性は、T614 焼き戻しでは T6 焼き戻しの場合より 17 ％増大する。
【００５５】
【表４】

【００５６】
幾つかの図に示された硬度曲線は設定された手順に従っていることは認められるだろう。即ち、それらの曲線は、硬度テストのためにそれぞれの回数処理され次いで焼き入れされる選択された合金のサンプルに基づいている。これは T6 及び T8 の如き通常の熱処理の硬度曲線に当てはまる。それはまた、本発明のステージ(a)とステージ(c)の処理に当てはまる。また、各場合に詳述していないが、固溶体中に溶質元素を保持するために溶体化処理の後に焼き入れする如く、適切な溶体化処理はすべての事例において暗黙(implicit)のものである。代案が詳述されているが、すべての合金は、通常の熱処理、又は本発明による熱処理を受ける前に、適切な溶体化処理及び焼き入れを受けさせられ、その際焼き入れは一般的に、便宜上、周囲温度又はそれ以下の温度までである。また、合金が本発明によりステージ(a)の処理を次いでステージ(c)の処理を受けさせられた場合、間にあるステージ(b)の焼き入れは、暗黙のものであり、そして別の指示がなされた場合を除いて、ステージ(b)の焼き入れは周囲温度又はそれ以下の温度までであった。
【００５７】
最後に、種々の改変、変更、及び／又は追加が本発明の精神及び範囲から逸脱することなく上述の部品の構造及び配置に成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のプロセスの適用を示す概略の時間-温度図表である。
【図２】異なった初期時間まで時効させられたときの、実験用合金 Al-4Cu の二次析出を示す概略の時間-温度図表で、本発明のプロセスを示す図である。
【図３】65 ℃での保持時間の関数として、Al-4Cu の二次析出応答を表す、一連の Nuclear Magnetic Desonance (NMR) 走査 A 乃至 D である。
【図４】図３に詳述した熱処理を受けたAl-4Cu合金の、 GPI 域内の Cu の硬度と原子％の両方に対する時間の線図を示す図である。
【図５】T6 焼き戻しと比較して示す、本発明のプロセスを適用した場合の、合金 7057 の二次析出応答を示す、硬度対時間の図表である。
【図６】T6 焼き戻しと比較して示す、合金 2001 の本発明のプロセスにおける応答を示す、硬度対時間の線図である。
【図７】T8 焼き戻しと比較して示す、T814 及び T914 の各々のプロセスの応答を示す、焼き戻しと比較して示す合金 2001 の硬度対時間の線図である。
【図８】合金 6013（合金 6111 と 6056 の各々と実質上同様の挙動を示す）の本発明のプロセスにおける応答を示す、硬度対時間の線図である。
【図９】本発明のプロセスを適用した場合の、合金 7075 と合金 7075 ＋ Ag の 25 ℃での二次析出応答を示す硬度対時間の線図である。
【図１０】本発明のプロセスを適用した場合の、合金 7075 と合金 7075 ＋ Ag の 65 ℃での二次析出応答を示す硬度対時間の線図である。
【図１１】異なった初期時間から時効させられた鋳造合金 357 の時効曲線である。
【図１２】合金 Al-4Cuのその後の二次析出応答に及ぼされるステージ(b)の冷却速度の効果を示し、かつ−10 ℃に冷却されたエチレングリコールベースの焼き入れ剤の使用と、 65 ℃の熱水への焼き入れの使用の効果を対照して示す図である。
【図１３】図１２と同様の図であるが、合金 6013 についての図である。
【図１４】図１２と同様の図であるが、合金 7075 についての図である。
【図１５】図１２と同様の図であるが、合金 8090 についての図である。

Claims

固溶体内に合金元素を有する時効硬化可能のアルミニウム合金の時効熱処理方法において、該方法が下記のステージ (a) 乃至 (c) 、即ち
(a) ここで不足時効させたれた合金を作るために、 T6 焼き戻しより比較的短い期間の間にわたり“一次析出”と称される、少なくとも１つの溶質元素の析出を促進するのに適切な高い時効温度に合金を保持し、
(b) ステージ(a)の時効温度からより低い温度にかつ上記一次析出を阻止するのに十分な速さの速度で上記不足時効させられた合金を冷却し、
(c) ステージ(b)によって作られた冷却された合金をステージ(a)の時効温度より低い時効温度に曝し、ここで“二次析出”と称される追加の溶質元素の析出によって、時間の関数として適切な機械的特性を生じるようになすこと、
を含むことを特徴とする方法。
ステージ(a)の温度と期間は、完全 T6 焼き戻しから得られる最大硬度と強度の85 ％以下を提供する不足時効を達成するようなものとすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
ステージ(a)の温度と期間は、完全 T6 焼き戻しから得られる最大引っ張り強度の 40 ％乃至 75 ％以下を提供する不足時効を達成するようなものとすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
不足時効させられた合金がステージ(b)で冷却されるより低い温度は実質上周囲温度とすることを特徴とする請求項１から３の何れか1項に記載の方法。
不足時効させられた合金がステージ(b)で冷却されるより低い温度は約 65 ℃乃至約−10 ℃とすることを特徴とする請求項１から３の何れか1項に記載の方法。
不足時効させられた合金がステージ(b)で冷却されるより低い温度は実質上ステージ(c)で要求される時効温度とすることを特徴とする請求項１から４の何れか1項に記載の方法。
不足時効させられた合金がステージ(b)で冷却されるより低い温度は適切な焼き入れ媒体内に焼き入れすることによって達成されることを特徴とする請求項１から６の何れか1項に記載の方法。
焼き入れ媒体は流体又は流動床とすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
焼き入れ媒体は水又はポリマーベースの焼き入れ剤とすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
ステージ(c)の時効温度は約 20 ℃乃至約 90 ℃の範囲内とすることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の方法。
ステージ(c)の時効温度は周囲温度とすることを特徴とする請求項１から１０の何れか1項に記載の方法。
ステージ(a)を適用するために受け入れられる合金は固溶体中に合金元素をもつことを特徴とする請求項１から１１の何れか1項に記載の方法。
該プロセスは更に、ステージ(a)の前に、以下の工程 (i) と (ii)、即ち
(i) 合金の溶質元素を固溶体内に取り込むのに十分な期間の間合金を溶体化処理温度に加熱する工程、
(ii) 固溶体中に合金元素を保持するために合金を溶体化処理温度から焼き入れする工程、
を含む、特徴とする請求項１から１１の何れか1項に記載の方法。
焼き入れ工程 (ii) は合金を溶体化処理温度からステージ(a)の時温度より下の温度に冷却することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
焼き入れ工程 (ii) は合金を溶体化処理温度から実質上ステージ(a)の時効温度まで冷却することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
合金はステージ(a)の前に機械的変形を受けることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
合金は工程 (i) とステージ(a)の間に機械的変形を受けることを特徴とする請求項１３から１５の何れか1項に記載の方法。
機械的変形は、冷却がプレス焼き入れによって行われることによって工程 (ii) の間に起こるか、又は合金の押し出しの間に起こることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
合金は工程 (ii)とステージ(a)の間に機械的変形を受けることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
合金はステージ(b)とステージ(c)の間に機械的変形を受けることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載の方法。
合金はステージ(c)の間に機械的変形を受けることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載の方法。
ステージ(a)の時効温度にある期間は数分間から 8 時間までとすることを特徴とする請求項１から２１の何れか１項に記載の方法。
ステージ(a)の時効温度にある期間は 8 時間を越えるが、完全強化に達するまでに要する時間より少ないことを特徴とする請求項１から２１の何れか１項に記載の方法。
ステージ(c)は、ステージ(c)の時効温度で要求レベルの二次析出が達成される期間にわたって行われることを特徴とする請求項１から２３の何れか１項に記載の方法。
ステージ(c)は、ステージ(c)の時効温度で、ステージ(b)の直後に達成されるレベルを越える要求レベルの合金の強化を達成する期間にわたって行われることを特徴とする請求項１から２３の何れか1項に記載の方法。
ステージ(c)の期間は、要求レベルの引っ張り特性を得るのに十分であることを特徴とする請求項２４は２５に記載の方法。
ステージ(c)の期間は、要求レベルの引っ張り特性及び破壊靱性を得るのに十分であることを特徴とする請求項２４は２５に記載の方法。
破壊靱性のレベルは完全 T6 焼き戻しで得ることができるレベルに少なくとも等しいことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
引っ張り特性のレベルは完全 T6 焼き戻しで得られるレベルに少なくとも匹敵することを特徴とする請求項２６から２８の何れか１項に記載の方法。
請求項１乃至２９の何れか１項に記載の方法によって作られた時効硬化可能のアルミニウム合金。